SEL SURYA TITANIUM DIOKSIDA TERSENSITASI POLYPHENYLENE VINYLENE DENGAN ELEKTROLIT POLIMER
GESANG BASKOROADI
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2011
Abstrak GESANG BASKOROADI. Sel Surya TiO2 Tersensitasi Polyphenylene Vinylene dengan Elektrolit Polimer. Dibimbing oleh: Dr. AKHIRUDDIN MADDU dan Drs. SIDIKRUBADI PRAMUDITO M.Si Sel surya tersensitasi dye dibuat dengan konfigurasi TiO2/PPV/iodolyte, Polyphenylene Vinylene (PPV) berfungsi sebagai dye penyerap cahaya. TiO2 yang dibuat memiliki fase dominan anatase dengan ukuran 37,344nm. PPV yang dilarutkan dalam kloroform memiliki rentang penyerapan cahaya dari 330 nm hingga 600 nm dengan puncak absorbsi di sekitar 550 nm. PPV meningkatkan kemampuan penyerapan cahaya tampak pada TiO2 dengan cara menyusup ke dalam pori TiO2. Elektrolit yang digunakan berupa polimer dengan maksud memberikan ketahanan sel surya yang lebih baik terhadap lingkungan. Dua sampel dibuat dengan perbedaan konsentrasi PPV terhadap pelarut masing-masing 0,25 % (sampel A) dan 0,5 % (Sampel B). Dari kedua sampel tersebut didapatkan efisiensi sebesar 0,0514 % untuk sampel A dan 0,0209 % untuk sampel B.
Kata kunci: Sel surya tersensitasi dye, TiO2, PPV
ii
SEL SURYA TITANIUM DIOKSIDA TERSENSITASI POLYPHENYLENE VINYLENE DENGAN ELEKTROLIT POLIMER
Oleh: GESANG BASKOROADI
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sajana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2011
iii
Judul
:
Sel Surya Titanium Dioksida Tersensitasi Polyphenylene Vinylene dengan Elektrolit Polimer
Nama
:
Gesang Baskoroadi
NRP
:
G74062364
Disetujui
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Akhiruddin Maddu
Drs. Sidikrubadi Pramudito M.Si
NIP. 196609071988021006
NIP. 195707251986011000
Diketahui Ketua Departemen Fisika FMIPA IPB
Dr. Akhiruddin Maddu NIP. 196609071988021006
Tanggal Lulus:
iv
KATA PENGANTAR Alhamdulillahirabbilal’amin. Puji dan syukur penulis kepada Allah SWT yang atas izinNya kepada penulis untuk segala usaha dalam merampungkan tulisan ini. “...And if in a distant future the supply of coal becomes completely exhausted, civilisation will not be checked by that, for life and civilisation will continue as long as the Sun shines!”. Sebuah kutipan dari Giacamo Ciamician pada International Congress of Applied Chemistry kedelapan, September tahun 1912. Walau tidak secara langsung, kutipan ini menunjukkan bahwa sel surya adalah alat untuk keberlangsungan peradaban selama matahari bersinar. Penelitian yang dilakukan penulis mungkin tidak berpengaruh besar dalam skala peradaban, namun bagi penulis merupakan suatu langkah besar dalam hal akademik untuk pengembangan diri. Sebuah kesadaran atas potensi sel surya menjadi satu nilai yang berharga dalam memandang masa depan lingkungan hidup bagi penulis. Satu hal yang penulis harapkan adalah semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat bagi bidang pendidikan khususnya bagi peneliti sel surya siapapun itu. Untuk itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu secara moral dan material demi rampungnya penulisan, yaitu kepada: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
7. 8. 9.
Kedua orang tua tercinta atas doa dan bimbingan kepada ananda. Bapak Akhirudin Maddu dan Bapak Sidikrubadi Pramudito atas kesediaannya sebagai pembimbing skripsi. Bapak Hanedi Darmastiawan sebagai penguji yang bermurah hati memberikan banyak saran, masukan, juga koreksi. Para Staf Departemen Fisika IPB atas bantuan dan kerjasamanya. Para Staf BATAN Serpong atas jasa XRDnya. Kawan-kawan peneliti biofisika dari strata 1 (Husein, Wandi, Pandu, dan teman-teman dari angkatan 44) dan duari strata 2 (Bu Deni, Mba Yani, Pak Fendi, Pak Ismail, Pak Orim, Mba Zahra, Mba Ina, dkk) atas kebersamaannya. Kawan-kawan Fisika angkatan 43 yang telah berbagi suka-duka di kampus tercinta. Seluruh anggota LapCommers yang menceriakan hati di kala galau melanda. Kawan-kawan Onigiri yang memberikan semangat juang, BANZAI.
Penulis sadar bahwa tulisan ini bukan sesuatu yang sempurna, oleh karena itu kritik dan saran akan sangat berarti bagi tulisan ini juga bagi penulis secara pribadi. Kekurangan seseorang adalah wadah bagi orang lain untuk menempatkan kelebihannya. Wadah yang telah diisi akan menjadi nikmat antara manusia yang kemudian menjadi pengukuh tali silaturahmi.
Bogor, 20 Juni 2011
Gesang Baskoroadi
v
RIWAYAT HIDUP Penulis lahir di Bogor, tanggal 27 Februari 1988 dari pasangan Bapak Adi Winarto dan Ibu Ekowati Handharyani. Pendidikan formal diembannya mulai dari SDN Polisi I Bogor pada tahun 1994, SMPN IV Bogor pada tahun 2001, SMAN IX Bogor pada tahun 2003. Penulis sempat bersekolah di Sapporo, Jepang dari tahun 1997 hingga 2001 atas alasan keluarga. Selama masa pendidikannya di IPB, penulis berkecimpung di organisasi Badan Eksekutif Mahasiswa pada tahun 2008 sebagai staf kesekretariatan selama satu tahun. Penulis termasuk salah satu anggota di organisasi budaya Jepang Onigiri Japan Club karena ketertarikannya terhadap kebudayaan dan kesusastraan Jepang. Kemampuan Bahasa Jepangnya dimanfaatkan untuk mengajar di lingkungan kampus juga di dalam forum dunia maya, Kaskus.
vi
DAFTAR ISI Abstrak ............................................................................................................................................... i DAFTAR GAMBAR.. ................................................................................................................... .vii DAFTAR TABEL ...........................................................................................................................viii DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................................................ix BAB 1. PENDAHULUAN ...........................................................................................................1 1.1 Latar Belakang .............................................................................................................1 1.2 Tujuan ..........................................................................................................................1 1.3 Perumusan Masalah ....................................................................................................1 1.4 Hipotesis .......................................................................................................................1 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA ...................................................................................................1 2.1 Sel Surya .........................................................................................................................1 2.2 Sel Fotoelektrokimia ......................................................................................................4 2.3 Sel Surya Tersensitasi Dye (Gratzel Cell) .......................................................................4 2.4 Titanium Dioksida (TiO2) ...............................................................................................4 2.5 Sensitizer Dye .................................................................................................................5 2.6 Elektrolit Polimer ............................................................................................................6 BAB 3. BAHAN DAN METODE ..................................................................................................6 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ........................................................................................6 3.2 Alat dan Bahan ...............................................................................................................6 3.3 Persiapan ......................................................................................................................6 3.4 Metode Pembuatan dan Karakterisasi .............................................................................6 3.4.1 Deposisi film TiO2 ....................................................................................................7 3.4.2 Karakterisasi XRD ...................................................................................................7 3.4.3 Deposisi film PPV.....................................................................................................8 3.4.4 Karakterisasi optik ....................................................................................................8 3.4.4 Pembuatan elektrolit polimer ..................................................................................8 3.4.5 Karakterisasi sel surya (arus-tegangan) ...................................................................8 BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN .........................................................................................8 4.1 Hasil Persiapan ................................................................................................................8 4.2 Deposisi TiO2 .................................................................................................................9 4.3 Karakteristik Lapisan TiO2 dari Uji XRD .....................................................................9 4.4 Deposisi PPV ..................................................................................................................9 4.5 Elektrolit Polimer ...........................................................................................................9 4.6 Karakteristik Optik .......................................................................................................10 4.7 Karakteristik Arus-Tegangan Sel Surya .......................................................................11 BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN
......................................................................................13
DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................................14 LAMPIRAN
.........................................................................................................16
vii
DAFTAR GAMBAR
Gambar Gambar Gambar Gambar
1. 2. 3. 4.
Proses pembentukan p-n junction ........................................................................2 Pita energi saat keseimbangan termal .................................................................2 (a) Pita energi saat dibias maju, (b) Pita energi saat dibias mundur ....................2 Aliran muatan pembawa persambungan p-n saat disinari cahaya dalam rangkaian tertutup ............................................................3 Gambar 5. Pita energi p-n junction saat disinari cahaya, (a) short-circuited dan (b) open-circuited current ...........................................................................3 Gambar 6. Karakteristik arus-tegangan(I-V) saat gelap dan disinari cahaya ........................3 Gambar 7. Pita energi dan transfer muatan pada sel surya tersensitasi dye ..........................4 Gambar 8. Struktur kristal anatase dan rutile ........................................................................5 Gambar 9. Struktur PPV ........................................................................................................6 Gambar 10. Struktur MEH-PPV ...............................................................................................6 Gambar 11. Konfigurasi sel surya ............................................................................................6 Gambar 12. Sinar-X yang datang dihamburkan oleh atom -atom di dalam kristal ke segala arah. Sebagian besar berkas datang ditransmisikan .................7 Gambar 13. Meja rotasi, sumber sinar-X, dan detektor pada XRD ..........................................7 Gambar 14. Rangkaian uji arus(I) - tegangan(V) ....................................................................8 Gambar 15. Difraksi sinar-X kristal TiO2 ...............................................................................9 Gambar 16. Absorbansi PPV A dan PPV B ............................................................................10 Gambar 17. Absorbansi TiO2 dan TiO2 dengan dye PPV .......................................................10 Gambar 18. Absorbansi TiO2 nanokristal, MEH-PPV, dan campurannya ............................11 Gambar 19. Karakteristik arus-tegangan sampel A dan B ......................................................11 Gambar 20. Karakteristik arus-tegangan sampel A dengan KEITHLEY 2400 ......................12 Gambar 21. Karakteristik arus-tegangan sampel B dengan KEITHLEY 2400 ......................12 Gambar 22. Respon tegangan terhadap perubahan intensitas cahaya pada sampel A ......................................................................................13 Gambar 23. Respon tegagan terhadap perubahan intensitas cahaya pada sampel B .......................................................................................13
viii
DAFTAR TABEL Tabel 1. Perbedaan struktur kristal anatase dan rutile ......................................................................5 Tabel 2. Tabel nilai tegangan dan arus sampel A dan B ................................................................11 Tabel 3. Konstanta waktu (τ) sel ....................................................................................................13
ix
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Diagram Alur Kerja Penelitian.....................................................................................17 Lampiran 2. Data JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan Rutile ...................................................18 Lampiran 3. Deteksi Puncak TiO2 ..................................................................................................19 Lampiran 4. Penentuan Parameter Kisi dan Ukuran Kristal dengan Metode Kramer ....................20 Lampiran 5. Alat-alat yang Digunakan dalam Penelitian ..............................................................24
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kebutuhan terhadap energi untuk menjalankan kehidupan sehari-hari membuat manusia mencari sumber-sumber energi lain yang bisa dimanfaatkan. Sumber energi konvensional berbasis minyak, batubara dan gas alam telah terbukti sebagai penggerak efektif bagi kemajuan ekonomi namun sekaligus merusak lingkungan dan kesehatan manusia. 1 Masalah ini bisa diatasi apabila manusia memanfaatkan secara optimal sumberdaya alam lainnya yang bisa dieksploitasi terus menerus namun bisa diperbaharui. Angin, arus laut, panas bumi, dan sinar matahari adalah sumber daya alam yang bagus untuk masalah ini, terutama sinar matahari. Saat sinar matahari mengenai lapisan terluar atmosfir bumi, bumi menerima intensitas sebesar 1368 W/m2. Rasio ini disebut dengan konstanta surya.2 Untuk memanfaatkan energi tersebut digunakanlah sel surya sebagai piranti pemanen energi. Sel surya adalah piranti yang terbuat dari bahan semikonduktor, yang mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik secara langsung. 3 Keterbatasan dalam segi jumlah dan harga bahan baku sel surya, merupakan salah satu hambatan pengembangan piranti ini. Sebagai salah satu solusi dari masalah tersebut adalah penggunaan bahan organik (alami) yang lebih banyak dari segi sumber dan lebih murah dari segi harga daripada bahan sel surya konvensional. Sel surya hybrid merupakan variasi sel surya yang terdiri dari gabungan bahan organik dan bahan anorganik. Karena menggunakan dua bahan yang berbeda, sel surya tersebut akan memiliki sifat unik dari masing-masing bahan tersebut. Bahan yang digunakan adalah titanium dioksida (TiO2) sebagai bahan anorganiknya dan polyphenylene vinylene (PPV) sebagai bahan organiknya. TiO2 adalah semikonduktor serbaguna yang dapat digunakan sebagai fotokatalis, sensor gas, dan sel surya.4 Ketika TiO2 disinari cahaya dengan panjang gelombang antara 100 – 400 nm, elektron akan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi,
meninggalkan hole pada pita valensi. PPV merupakan polimer konduktif yang unggul kemampuannya dalam pembentukan film dan dapat memiliki sifat elektroluminesensi. 5, 6
1.2 Tujuan 1. 2.
Membuat sel surya hybrid dari bahan TiO2 dan PPV Melakukan karakterisasi XRD, optik, dan sifat arus-tegangan (I-V) terhadap sel surya
1.3 Perumusan Masalah Apakah sel surya dapat dibuat dengan menggunakan TiO2 dan PPV? Bagaimanakah karakteristik optik dan arustegangan dari sel surya tersebut? Berapa besarkah efisiensi konversi energi dari keluaran yang dihasilkan?
1.4 Hipotesis Sel surya TiO2 dengan dye PPV 0,5 % dapat menghasilkan daya yang lebih besar daripada dengan dye PPV 0,25 %.
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sel Surya p-n Sel surya adalah suatu piranti yang mengkonversi energi cahaya menjadi energi listrik. Pada umumnya sel surya dibuat dari bahan semikonduktor anorganik, seperti silikon mono kristalin atau multi kristalin.8 Sel surya konvensional seperti ini dapat menyerap cahaya matahari lebih dari 24 %.7 Efisiensi yang telah dicapai oleh sel surya berbahan dasar material anorganik sekitar 10-20 %.7 Sel surya konvensional pada umumnya disusun dari persambungan semikonduktor tipe-p dan tipe-n (p-n junction). Hal terpenting pada sel surya p-n adalah adanya pemisahan muatan, yaitu hole dan elektron akibat penyinaran oleh cahaya. Adanya persambungan antara kedua tipe semikonduktor ini menyebabkan terbentuknya potensial pada persambungan dan difusi muatan.8 Difusi muatan terjadi karena adanya gradien konsentrasi muatan pembawa antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Difusi hole dari semikonduktor tipe-p
2
Daerah netral
Daerah deplesi Daerah netral
disfusi elektron dari tipe-n ke tipe-p dan difusi hole dari tipe-p ke tipe-n. Rapat arus total (J) yang mengalir pada saat persambungan p-n di bias maju adalah pertambahan rapat arus difusi pada sisi-n (Jn) dengan rapat arus difusi pada sisi-p (Jp).
Medan listrik
Gambar 1. Proses pembentukan p-n junction, (-) ion akseptor, (○) hole, (+) ion donor, (●) elektron.9 menuju tipe-n, sedangkan elektron semikonduktor tipe-n menuju tipe-p.
dari
Difusi hole dan elektron tidak terjadi terus menerus, karena ketika hole meninggalkan tipe-p dan hilang di dalam tipen akibat rekombinasi, maka sebuah akseptor akan diionisasikan menjadi negatif di daerah tipe-p yang membentuk muatan ruang negatif. Hal yang sama terjadi pada elektron yang meninggalkan muatan ruang positif pada daerah tipe-n, sehingga membangkitkan medan listrik yang berasal dari ruang muatan postif menuju ruang muatan negatif (Gambar 1).9 Medan listrik ini akan menghambat difusi hole dan elektron. Aliran-aliran muatan pembawa ini akan berhenti setelah terdapat keseimbangan antara aliran difusi dan aliran drift.7 Keseimbangan ini ditandai oleh adanya kesamaan antara level Fermi tipe-p dan tipe-n (Gambar 2). Pada keadaan seimbang, di dalam p-n junction terbentuk 1. daerah tipe-p netral: daerah dengan jumlah hole sama dengan jumlah akseptor. 2. daerah muatan ruang tipe-p: daerah diionisasikannya akseptor negatif. 3. daerah muatan ruang tipe-n: daerah diionisasikannya donor positif 4. daerah tipe-n netral: daerah dengan jumlah donor sama dengan jumlah elektron.10
potensial internal pada daerah deplesi dapat dipengaruhi oleh tegangan eksternal yang dipasang pada sisi-p dan sisi-n. Pemasangan tegangan bias positif pada sisi tipe-p dan negatif pada sisi tipe-n akan menurunkan potensial internal pada daerah deplesi (Gambar 3a). Keadaan ini disebut bias maju (VF).8 Pemasangan bias maju akan menurunkan arus drift, tetapi dapat menaikkan
Gambar 2. Pita energi saat keseimbangan termal pada p-n junction8 .
qVF J J p J n J 0 e kT 1
(1)
J0 adalah rapat arus saturasi, k adalah konstanta Boltzman, q adalah muatan dan T adalah suhu mutlak.
(a)
(b) Gambar 3. (a) Pita energi saat dibias maju, (b) Pita energi saat dibias mundur.8
Pemasangan bias negatif pada sisi-p dan positif pada sisi-n akan menaikkan potensial internal pada daerah deplesi (Gambar 3 b). Keadaan ini disebut bias
3
mundur (VR). Rapat arus yang mengalir pada saat bias mundur adalah
R qV J J 0 e kT 1
(2)
arus pembawa pada p-n junction dipengarui oleh penyinaran cahaya. Penyinaran cahaya pada persambungan p-n akan membentuk pasangan elektron-hole yang memiliki energi lebih besar dari pada celah energi.7Pembentukan pasangan elektron-hole terjadi di daerah difusi dengan panjang Lp untuk difusi hole dan Ln untuk difusi elektron. Pasangan elektron-hole ini akan berkontribusi terhadap arus foto. Jumlah pasangan elektronhole dipengaruhi intensitas cahaya yang datang. Pasangan elektron-hole akan berpisah karena medan listrik yang ada pada daerah deplesi. Adanya pemisahan muatan pada daerah deplesi, akan menghasilkan aliran arus dari sisi-n ke sisi-p ketika sisi-p dan sisi-n dihungkan dengan kawat luar (Gambar 4).
(a)
(b) Gambar 5. Pita energi p-n junction saat disinari cahaya, (a) shortcircuited dan (b) open-circuited current.8 Elektron dan hole akan berkumpul pada kedua sisi, sehingga menghasilkan tegangan.8 Tegangan tersebut dianamakan tegangan open-circuit (Voc). Kurva karakteristik arustegangan p-n junction saat disinari cahaya dan saat dalam keadaan gelap (tidak menerima cahaya) ditunjukkan pada Gambar 6. Arus yang mengalir pada persambungan p-n ketika disinari cahaya adalah:
Gambar 4. Aliran muatan pembawa persambungan p-n saat disinari cahaya dalam rangkaian tertutup.8
qV I I 0 e nkT 1 I sc (3)
Penyinaran p-n junction pada rangkaian terbuka akan menyebabkan pemisahan muatan pembawa.7 Pemisahan muatan pembawa ini akan menghasilkan beda potensial. Diagram pita energi p-n junction pada saat dihubung singkat (short-circuited) dan arus rangkaian terbuka (open-circuited current) ditunjukkan pada Gambar 5a dan 5b. Arus yang mengalir pada saat sisi-p dan sisi-n dihubungkan seperti rangkaian tertutup disebut arus short-circuit (Isc) yang nilainya sama dengan arus foto (IL) jika hambatan seri (series resistance) sama dengan nol. Ketika sisi-p dan sisi-n diisolasi, elektron bergerak menuju sisi-n dan hole menuju sisi-p.
Gambar 6. Karakteristik arus-tegangan (I-V) saat gelap dan disinari cahaya.8
4
Ketika rangkaian terbuka (I = 0), sehingga tegangannya adalah:
Voc
nkT I sc ln 1 q I0
(4)
Fill factor merupakan parameter fotovoltaik sel surya yang dapat dijadikan penentu baik dan buruknya sel. Fill factor dapat dicari dengan menggunakan persamaan:
FF
Vm I m Voc I sc
(5)
VmIm adalah daya maksimum sel. Efisiensi konversi pada sel surya (η) didefinisikan sebagai rasio daya output maksimum yang dihasilkan terhadap daya total dari intensitas cahaya yang diterima (PIn).
Vm I m VOC I SC FF PIn PIn
(6)
2.2 Sel Fotoelektrokimia Sel fotoelektrokimia terdiri dari semikonduktor yang aktif terhadap cahaya sebagai elektroda (bisa tipe-p atau tipe-n) dan elektroda counter yang terbuat baik dari logam ataupun semikonduktor. Kedua elektroda tersebut direndam dalam elektrolit. Pasangan elektron-hole dibangkitkan pada persambungan antara semikonduktor dan elektrolit jika persambungan tersebut diberikan cahaya yang memiliki energi yang lebih besar dari band gap semikonduktor. Selain hanya untuk membangkitkan arus listrik, sel fotoelektrokimia juga dapat digunakan pada proses elektrolisis air. Eksperimen pertama terhadap
fotoelektrokimia dikemukakan oleh Becquerel pada 1839 saat menemukan efek fotovoltaik pada elektroda perak klorida yang disinari cahaya.
2.3 Sel Surya Tersensitasi Dye (Gratzel Cell) Pada sel surya tersensitasi dye seperti pada Gambar 7, fotoeksitasi tidak terjadi pada elektroda semikonduktor, namun terjadi pada dye penyerap cahaya, tepatnya pada persentuhan antara semikonduktor tersensitasi dye dan elektrolit.7, 11
Injeksi elektron dari dye ke TiO2 membutuhkan eksitasi dye yang lebih reduktif dari pita konduksi TiO2. Dye yang teroksidasi akan membutuhkan transfer elektron dari elektrolit untuk mengembalikannya ke ground state. Reaksi kimia redox yang terjadi membuat sel ini disebut juga dengan sel fotoelektrokimia. Eksitasi : TiO2|S + hv → TiO2|S* Injeksi : TiO2|S* → TiO2|S* + eRegenerasi : TiO2|2S+ + 3I- →TiO2|2S + I3-
Sel ini terkendala sifat korosif dari elektrolit dan kemungkinan kebocoran pada cairan elektrolit, maka perlu menggunakan elektrolit berupa gel sebagai solusi untuk mengatasinya. Dalam perkembangannya dari generasi pertama hingga kini, terdapat peningkatan efisiensi konversi sel surya yang awalnya memiliki nilai sebesar 7.1 % hingga mampu mencapai lebih dari 11 %.11
Gambar 7. Pita energi dan transfer muatan pada sel surya tersensitasi dye.7
5
Tabel 1. Karakteristik kristal anatase dan rutile
Faktor Perbedaan Energy gap (Eg), eV Massa jenis (ρ), gr/cm3 Jarak Ti-Ti, Å Jarak Ti-O, Å Parameter kisi, Å
Kristal Anatase 3,200 3,830 3,970 dan 3,040 1,937 dan 1,966 a = 3,782
Rutile 3,100 4,240 3,570 dan 2,960 1,946 dan 1,983 a = 4,587
c = 9,502
c = 2,953
2.4 Titanium Dioksida (TiO2) TiO2 terdapat dalam 3 bentuk polimorf yang berbeda, yaitu rutile, anatase, dan brukit.12 Di antaranya, rutile dan anatase adalah paling umum digunakan dalam fotokatalisis.13 Struktur anatase dan rutile digambarkan dalam bentuk rantai oktahedral TiO6. Struktur kedua kristal dibedakan oleh distorsi oktahedron dan pola susunan rantai oktahedronnya (Gambar 8).
dibandingkan rutile (1,937 Å dan 1,966 Å pada anatase dan 1,946 Å dan 1,983 Å untuk rutile).13 Pada rutile, setiap oktahedronnya mengalami kontak dengan 10 oktahendron tetangganya, sedangkan pada anatase, setiap oktahedron mengalami kontak dengan delapan oktahedron tetangganya. Perbedaan dalam struktur kisi ini menyebabkan perbedaan massa jenis dan struktur pita elekektronik antara dua bentuk TiO2, yaitu anatase memiliki daerah aktivasi yang lebih luas dibandingkan rutile sehingga kristal tersebut menjadi lebih reaktif terhadap cahaya dibandingkan rutile. Besar bandgap yang dimiliki pun menjadi berbeda, pada anatase besar rentang energinya adalah 3,2 eV sedangkan rutile 3,0 eV.15 Perbedaan struktur kristal anatase dan rutile dirangkum pada Tabel1. Kristal rutile memiliki struktur yang lebih padat dibandingkan anatase, karenanya memiliki densitas dan indeks refraktif yang lebih tinggi (massa jenis rutile: 4,250 gr/cm3; anatase: 3,894 gr/cm3 indeks bias rutile dan anatase berturut-turut adalah 2,9467 dan 2,5688).14
2.5 Sensitizer Dye Berbeda dengan sel surya p-n, elektron yang dibangkitkan di dalam sel surya tersensitasi dye berasal dari sensitizer dye. Kepekaannya terhadap cahaya mempengaruhi jumlah elektron yang akan dibangkitkan ketika dipaparkan sinar.7 Gambar 8. Struktur kristal anatase dan rutile.13 Setiap ion Ti4+ dikelilingi oleh enam atom O2-. Oktahedron pada rutile memperlihatkan sedikit distorsi ortorhombik, sedangkan oktahendron pada anatase memperlihatkan distorsi yang cukup besar sehingga relatif tidak simetri. Jarak Ti-Ti pada anatase lebih besar (3,79 dan 3,04 Å pada anatase, 3,57 dan 2,96 Å untuk rutile), sedangkan jarak ion Ti-O lebih pendek
PPV merupakan polimer konduktif yang unggul kemampuannya dalam pembentukan film dan dapat memiliki sifat elektroluminesensi.5,6 PPV memiliki unit berulang ikatan teratur tunggal-rangkap yang membentuk gabungan dari cincin benzena dan ikatan trans-poliasetilene.16 PPV memiliki bandgap sekitar 2,2 eV.18 Dalam penelitian ini jenis PPV yang digunakan adalah poly [ 2 - methoxy - 5 - (2’-
ethyl-hexyloxy) - 1,4-phenylene vinylene (MEH-PPV). MEH-PPV merupakan polimer konduktif yang paling sering digunakan untuk aplikasi LED. MEH-PPV memiliki sifat kelarutan yang baik dalam pelarut organik seperti Tetrahidrofuran (THF), chloroform, xylene, dan toluena.19
dilaksanakan dari Juni 2010 hingga September 2011.
Gambar 11. Konfigurasi sel surya
2.6 Elektrolit Polimer Substansi yang memiliki ion bebas sehingga memiliki sifat konduktif disebut dengan elektrolit. Pada umumnya elektrolit dijumpai dalam bentuk larutan ionik, namun ada juga yang berbentuk gel. Elektrolit ini disebut juga dengan elektrolit polimer karena memiliki struktur polimer yang di dalamnya terkandung ion bebas. Jika dibandingkan dengan elektrolit dalam bentuk larutan, elektrolit polimer memiliki ketahanan struktur yang lebih kuat dan memiliki konduktifitas yang lebih stabil terhadap perubahan suhu.25 Elektrolit polimer banyak digunakan dalam fuel cell yaitu piranti yang digunakan untuk mengkonversi energi kimiawi menjadi energi listrik.
3.2 Alat dan Bahan Bahan yang digunakan pada penelitin ini adalah: bubuk TiO2 Degussa P25, bubuk MEH-PPV, aquades, asetilaseton, polyvinylalcohol (PVA), kloroform , kaca Indium Tin Oxide (ITO), chitosan, asam asetat, dan elektrolit iodida (Iodolyte). Sedangkan alat yang digunakan adalah: gelas ukur, gelas piala, pipet, scotch-tape, razor blade (silet), neraca analitik, mortar, furnace, piring pemanas, pengaduk magnetik, lampu tungsten 160 Watt (Philips), KEITHLEY Model 2400 sourcemeter, spektrofotometer UV-Vis (Ocean Optic), vacuum chamber, XRD (Shimadzu model-610),
3.3 Persiapan Gambar 9. Struktur PPV.
16
Gambar 10. Struktur MEH-PPV.17
BAB 3 BAHAN DAN METODE 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Pembuatan sel surya dilaksanakan di Laboratorium Biofisika Departemen Fisika IPB, karakterisasi absorbansi dan uji karakteristik I-V juga dilaksanakan di tempat yang sama. Untuk Karakterisasi XRD dilaksanakan di BATAN Serpong. Penelitian
Persiapan dilakukan untuk tahap deposisi TiO2, deposisi PPV, dan pembuatan elektrolit. Pada pendeposisian TiO2 diperlukan substrat kaca ITO yang bersih. Kaca ITO yang telah dipotong dengan ukuran 2×1 cm2 dibersihkan dengan sabun dan direndam dengan aseton dalam ultrasonic cleaner selama 15 menit. Setelah ITO dikeringkan, sisi konduktif ITO ditutup scotch-tape dengan menyisakan permukaan seluas 1×1 cm2. TiO2 dideposisikan pada permukaan tersebut. Pada pelarutan PPV diperlukan penakaran bubuk MEH-PPV berdasarkan persamaan (11).
(7) Keterangan : Cw adalah konsentrasi larutan ( %); x adalah massa polimer (gram); ρ adalah massa jenis pelarut (gram/cm3); V adalah volume pelarut (ml). Jumlah berat bubuk disesuaikan dengan jumlah kloroform yang digunakan sebagai pelarut untuk mendapatkan larutan 0,25 % dan 0,5 %. Untuk persiapan pembuatan elektrolit polimer, penakaran dilakukan untuk 1 g PVA, 15 ml asam asetat, dan 1 ml Iodolyte.
7
3.4 Metode Pembuatan Karakterisasi
dan
Tahapan penelitian ini adalah sebagai berikut, deposisi film TiO2, karakterisasi XRD, deposisi film PPV, karakterisasi optik, metalisasi, karakterisasi SEM, metalisasi, dan karakterisasi sel surya (I-V). Konfigurasi sel
surya ditunjukkan pada Gambar 11. 3.4.1 Deposisi film TiO2
Berdasarkan teori difraksi, data yang diperoleh dari metode karakteristik XRD bergantung kepada arah kisi sehingga mempengaruhi pola difraksi. Sedangkan intensitas cahaya difraksi bergantung dari berapa banyak kisi kristal yang memiliki orientasi yang sama. Metode ini dapat digunakan untuk menentukan system kristal, parameter kisi, derajat kristalinitas dan fase yang terdapat dalam suatu sampel.20
Film TiO2 dibuat dengan teknik doctor blade. Pasta dibuat dengan mencampurkan 4 mg TiO2 bubuk, 3 ml akuades, dan 1 ml asetilaseton. Campuran ini digerus dalam mortar sehingga dihasilkan pasta yang mengental lalu diteteskan triton sebagai surfactant sebanyak satu tetes. Deposisi dilakukan dengan meneteskan pasta TiO2 pada substrat ITO. Pasta diratakan dengan silet hingga seluruh permukaan konduktif ITO tertutupi pasta. Substrat yang telah dilapisi kemudian dipanaskan di atas piring pemanas bersuhu 100 oC selama 10 menit hingga lapisan mengering dan scotchtape dapat dilepas tanpa merusak tepi lapisan. Kemudian film dipanaskan di dalam furnace hingga 200 oC selama 60 menit.
3.4.2 Karakterisasi XRD Karakterisasi kristal TiO2 dilakukan dengan XRD menggunakan difraktometer sinar-X yang terdapat di Laboratorium X-Ray, Pusat Teknologi dan Badan Ilmu Nuklir (PTBIN), Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN), Kawasan PUSPITEK Serpong, Metode karakterisasi dengan XRD didasari difraksi sinar-X yang dijelaskan dalam Hukum Bragg (persamaan 8), yakni cahaya dengan panjang gelombang λ dihamburan saat melewati kisi kristal dengan sudut datang θ dan jarak antar bidang sebesar d.20
(8)
Gambar 13. Meja rotasi, sumber sinar-X, dan detektor pada XRD22 Pada alat difraktometer sinar-X, sampel ditempatkan pada meja rotasi (Gambar 13). Sinar-X ditembakkan dari sumber menuju sampel dengan sudut awal 0o. Kemudian sinar-X yang dipantulkan sampel akan diterima di detektor. Meja akan dirotasi untuk mendapatkan nilai intensitas pantulan pada tiap sudut putaran. Pada kondisi tersebut detektor akan menyesuaikan posisi sebesar dua kali lipat sudut rotasi meja. Pola yang didapatkan dari XRD digunakan untuk menentukan parameter kisi kristal dan ukuran kristal. Parameter kisi (a dan c) ditentukan dengan menggunakan Hukum Bragg (persamaan 8). Pada sistem tetragonal yang terdapat pada kristal TiO2 berlaku persamaan Hukum Bragg : (9) Keterangan: h,k, dan l adalah indeks Miller, dan
Gambar 12. Sinar-X datang dihamburkan oleh atom-atom di dalam kristal ke segala arah. Sebagian besar berkas datang
B dan C sebagai numerator ditentukan dengan metode Cohen yang ditunjukkan sebagai berikut :
8
sin 2 C 2 B A sin C B A 2
2
(10)
sin 2 C B A 2
Keterangan: α = h2 + k2 ; γ = l2 ; δ = 10 sin2 2θ; A = D/10 Ukuran kristal didapatkan dari persamaan Scherrer yang ditunjukkan sebagai berikut : (11)
3.4.3 Deposisi PPV Deposisi PPV dimulai dari pembuatan larutan PPV dengan Chloroform sebagai pelarut. Jenis PPV yang digunakan adalah MEH-PPV. Pelarutan MEH-PPV dilakukan dengan menggunakan pengaduk magnetik kurang lebih 30 menit. Substrat ITO yang telah dideposisi TiO2 pada proses sebelumnya dilapiskan dengan scotch-tape pada sisi substrat sehingga mengelilingi lapisan film TiO2. Metode yang digunakan adalah teknik doctor blading. Namun, berbeda dengan saat deposisi TiO2, kali ini menggunakan dua lapisan scotch-tape. Ini dimaksudkan agar pisau silet tidak merusak lapisan TiO2. Selanjutnya larutan PPV dibiarkan terserap dan mengering pada suhu kamar selama 30 menit.
3.4.4 Karakterisasi optik Spektroskopi optik digunakan untuk mengetahui sifat optik bahan, di antaranya adalah absorbansi. Hal ini dinyatakan dengan Hukum Beer-Lambert dalam bentuk persamaan sebagai berikut :
(12)
absorbansi optik pada lapisan TiO2, MEHPPV, dan lapisan TiO2 yang sudah diberi dye MEH-PPV. Karakterisasi ini dilakukan dengan menggunakan alat Spektrofotometer UV-Vis ocean optic 2000. Alat ini tersambung pada komputer dan data absorbansi bisa didapatkan secara otomatis.
3.4.5 Pembuatan elektrolit polimer Elektrolit yang dibentuk berupa gel polimer. 1g PVA dilarutkan terlebih dahulu dengan asam asetat (1 %) sebanyak 15 ml dan diaduk selama 1 jam dengan suhu 80 oC. Kemudian 0,25 g chitosan ditambahkan ke dalam larutan tanpa menghentikan proses pengadukan. Iodolyte sebagai cairan elektrolit sebanyak 1ml dituangkan setelah 1 jam. Proses stirring diteruskan selama 6 jam hingga terbentuk gel elektrolit transparan. Elektrolit polimer yang sudah jadi kemudian dilapiskan di atas PPV dan dijepit dengan ITO seperti sandwich.
3.4.6 Karakterisasi sel surya (arustegangan) Karakterisasi sel surya dilakukan dengan dua cara, dengan rangkaian pada Gambar 11 dan dengan KEITHLEY Model 2400 Series Source Meter. Hasil dari karakterisasi berupa kurva I-V. Pada rangkaian uji I-V, sel dihubungkan dengan voltmeter dan potensiometer secara paralel. Kemudian sel disinari dengan cahaya matahari. Variasi arus dan tegangan diatur dengan potensiometer yang terdiri dari resistor – resistor yang dihubung seri. Pada KEITHLEY Model 2400 Series SourceMeter, hasil yang didapat berupa kurva arus-tegangan (I-V). Pengukuran respon tegangan terhadap perubahan intensitas cahaya dilakukan dengan menggunakan sensor tegangan pada perangkat lunak Data Studio.
dengan, I adalah intensitas radiasi yang diteruskan, I0 adalah intensitas radiasi datang, ε adalah absorbtivitas, L adalah tebal medium penyerap, dan c adalah konsentrasi penyerap. Berdasarkan hukum tersebut, absorbansi dinyatakan sebagai berikut :
(13) Karakterisasi optik yang akan dilakukan berupa karakterisasi spektrum
Gambar 14. Rangkaian uji arus (I)–tegangan (V)
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Persiapan Tidak ada benda asing yang menempel pada substrat ITO setelah dicuci dengan aseton dan ultrasonic cleaner. Luas permukaan khusus untuk proses deposisi TiO2 telah dibentuk dengan scotch-tape dengan ukuran 1×1 cm2. MEH-PPV yang telah ditakar larut di dalam kloroform dan tidak mengalami perubahan warna.
4.2 Deposisi TiO2 Pasta TiO2 dideposisikan pada substrat ITO dengan cara doctor blading hingga merata ke seluruh permukaan yang terbuka. Pasta dapat menempel baik dan tersebar rata tanpa celah karena telah digerus dan diaduk dengan campuran Triton. Lapisan TiO2 yang terbentuk setelah pemanasan berwarna putih dan tetap menempel pada substrat ITO. Sampel yang dibuat berjumlah empat buah. Dua sampel untuk pembuatan sel surya dan dua sampel lainnya untuk karakterisasi optik.
4.3 Karakteristik Lapisan TiO2 dari Uji XRD
4.4 Deposisi PPV Dua larutan PPV dengan konsentrasi 0,25 % dan 0,5 % diteteskan pada masingmasing substrat TiO2. Larutan diserap merata ke dalam pori yang terdapat pada TiO2. Scotch-tape yang menempel dapat dilepas tidak lama setelah kloroform menguap. Selain untuk dideposisikan pada TiO2, PPV juga dideposisikan pada ITO secara langsung untuk karakterisasi optik baik untuk konsentrasi 0,25 % maupun 0,5 %.
10
15
20
25
30
35 40 2θ
45
50
Gambar 15. Difraksi sinar-X kristal TiO2
55
Anatase
ITO Anatase Rutile
Anatase
Rutile
Rutile Anatase
Anatase
600 500 400 300 200 100 0
Rutile ITO
Intensitas
Dari uji XRD yang dilakukan terhadap lapisan TiO2, didapatkan pola intensitas difraksi terhadap 2θ (Gambar 15). Puncakpuncak difraksi menunjukkan fase anatase lebih dominan dari pada fase rutile. Hal ini dapat dilihat dengan membandingkan hasil karakterisasi XRD dengan data JCPDS (joint committee on powder diffraction standards) untuk anatase dan rutile. Dari perbandingan tersebut terlihat bahwa pada sudut difraksi 25o dan 47o terdapat puncak yang lebih tinggi
dibandingkan puncak yang lainnya, kedua puncak tersebut adalah milik fase anatase. Fase rutile tidak banyak terbentuk karena puncak tertingginya yang berada pada sudut difraksi 27o sangat kecil jika dibandingkan dengan puncak tertinggi anatase. Karakteristik anatase ditunjukkan dari sudut difraksi (2θ) pada sudut sekitar 250, 360, 370, 380, 470, 540, 620, 680, 700 dan 740 yang bersesuaian dengan orientasi bidang menurut indeks Miller (hkl) pada (101), (103), (004), (112), (200), (211), (213),(116), (220) dan (107) sesuai data JCPDS No. 21-1272. (Lampiran 2, halaman 30). Parameter kisi kristal anatase didapatkan dengan menggunakan metode Cohen dan Cramer. Menurut literatur, TiO2 memiliki parameter kisi a = 3.785 Ǻ dan c = 9.513 Ǻ. Dari hasil perhitungan dengan metode Cramer pada data sampel diketahui parameter kisi a = 3.701 Ǻ dan c = 9.238 Ǻ dengan nilai ketepatan masing-masing 97.78 % dan 97.11 %. Sistem kristal yang didapat berupa tetragonal dengan sumbu a = b ≠ c dan α = β = 90o. Ukuran kristal yang didapatkan dari perhitungan menggunakan persamaan Scerrer sebesar 37.344 nm.
60
65
70
10
Absorbansi
0,4 PPV A (0.25%) 0,3 PPV B (0.5%)
0,2 0,1 0 350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Panjang gelombang (nm) Gambar 16. Absorbansi PPV A dan PPV B
4.5 Elektrolt Polimer
4.6 Karakteristik Optik
Elektrolit berfungsi sebagai penyumbang elektron bagi dye supaya kembali ke ground state setelah terjadi fotoeksitasi. Polimer yang terdiri dari campuran PVA dan kitosan mencegah elektrolit dari kebocoran dan reaksi spontan dengan TiO2. Elektrolit polimer yang dibuat berupa gel transparan. Gel elektrolit dapat menyesuaikan bentuk dengan permukaan TiO2 ketika dideposisikan, sehingga dapat menutupi celah antara TiO2 dan ITO.
Kurva absorbansi diambil untuk lapisan PPV, TiO2, dan kombinasi keduanya. Kurva absorbansi PPV (Gambar 16) dengan konsentrasi 0,25 % (PPV A) menunjukkan bahwa PPV mampu menyerap cahaya dengan rentang panjang gelombang mulai dari 400 nm hingga 568 nm. Nilai panjang gelombang tersebut termasuk pada panjang gelombang cahaya tampak dari daerah ungu hingga kuning (380 nm – 590 nm).
Absorbansi
Elektrolit polimer yang dibuat seragam untuk kedua sampel memiliki ketahanan yang baik. Ketahanan ini ditunjukkan saat pengujian respon tegangan sel surya terhadap perubahan intensitas cahaya yang diterima sel. Hasil yang didapatkan berupa kurva tegangan terhadap waktu dapat dilihat pada halaman 13. Namun demikian, ketahanannya yang baik belum tentu disertai dengan konduktivitas yang baik pula. Arus keluaran dari sel (Gambar 18. hal.11) mengindikasikan adanya tahanan besar dalam sel dan terdapat kemungkinan tahanan tersebut disebabkan elektrolit polimer. Uji konduktivitas tidak dilakukan dalam penelitian ini
PPV dengan konsentrasi 0,5 % (PPV B) juga memiliki karakteristik yang sama namun tingkat absorbansi yang dimilikinya lebih tinggi karena konsentrasinya juga lebih tinggi. Karakteristik absorbansi ini menentukan daerah panjang gelombang yang efektif untuk konversi energi bagi sel. Panjang gelombang dengan nilai absorbansi yang besar pada dye adalah daerah yang efektif menyerap spektrum energi elektromagnetik yang bersesuaian. Lapisan TiO2 memiliki puncak absorbansi di daerah UV, maka PPV diberikan sebagai dye agar TiO2 bekerja dalam rentang cahaya tampak. TiO2 yang dibuat cukup tebal sehingga memiliki nilai absorbansi yang besar,
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
TiO2 TiO2 + PPV A TiO2 + PPV B 300
400
500
600
700
800
Panjang gelombang (nm)
Gambar 17. Absorbansi TiO2 dan TiO2 dengan dye PPV
11
namun masih bisa diamati perubahannya pada karakterisik absorbansinya setelah PPV diberikan sebagai dye. Perubahan yang teramati berupa peningkatan absorbansi dari daerah UV ke hijau (526 – 602 nm).
menggunakan bubuk MEH-PPV, melainkan hasil sintesis menggunakan reaksi stille cross coupling.
Noise berupa fluktuasi nilai absorbansi pada kurva diakibatkan oleh struktur lapisan TiO2 yang tebal. Karena ketebalan ini cahaya datang mengalami penghamburan. Penghamburan inilah yang terlihat dalam kurva sebagai Noise. Metode pelapisan dengan teknik doctor blading tidak dapat membentuk lapisan yang lebih tipis dari scotchtape. Mata pisau yang digunakan pada penyapuan pasta TiO2 tidak boleh menyentuh permukaan ITO secara langsung, maka antara
4.7 Karakteristik Arus-Tegangan Sel Surya 0,05
Arus (mA)
0,04
Sampel A Sampel B
0,03 0,02 0,01 0 0
100
200
300
Tegangan (mV) Gambar 18. Karakteristik arus-tegangan sampel A dan B
Gambar 18. Absorbansi TiO2 nanokristal, MEH-PPV, dan campurannya24. mata pisau dan permukaan ITO terdapat jarak sebesar ketebalan scotchtape (0,05 mm). Jika dibandingkan dengan hasil yang didapatkan oleh Petrella24, karakteristik unik dari absorbansi TiO2 dan PPV yaitu dua puncak absorbansi pada daerah UV dan hijau tidak terlihat jelas. Gambar 18 menunjukkan kurva absorbansi oleh Petrella24 untuk lapisan TiO2, MEH-PPV, dan campurannya.
Dari hasil pengujian arus-tegangan yang menggunakan rangkaian dan sinar matahari, kurva yang didapatkan cenderung linear. Dengan demikian sel yang dibuat tidak cukup ideal. Dari kurva yang dihasilkan dapat disimpulkan bahwa dengan keluaran sel masih sangat kecil, sehingga efisiensinya juga kecil, demikian juga dengan FFnya. Perbedaan karakteristik antara sampel A dan B terlihat pada nilai ISC dan VOC. Sample A memiliki nilai ISC yang lebih besar daripada sampel B, namun VOC sampel A tidak sebesar sampel B (Tabel 2).
Daya maksimum yang dihasilkan sampel A adalah 4,623×10-6 W, jauh lebih besar daripada sampel B yang hanya Absorpsi TiO2 pada Gambar 18 tidak 1,878×10-6 W. Pengambilan data dilakukan menggunakan bubuk TiO2 sebagai bahan pada siang hari dari pukul 10.00 hingga 11.00 dasarnya, melainkan dibentuk dari dengan intensitas sinar matahari sebesar penumbuhan kristal dengan menggunakan 90W/m2. Efisiensi yang didapat untuk sampel titanium tetraisopropoksida (TTIP) yang A dan B adalah 0,051 % dan 0,021 %. dihidrolisis. PPV yang digunakan juga tidak Efisiensi ini masih jauh dengan sel surya Tabel 2. Tabel nilai tegangan dan arus sampel A dan B.
Parameter VOC ISC Vmax Imax Pmax η
Sampel A 394 mV 5,180×10-2 mA 215mV 2,150×10-2 mA 4,623×10-6 W
Sampel B 417 mV 2,455×10-2 mA 203mV 0,923×10-2 mA 1,878×10-6 W
0,0514 %
0,0209 %.
12
berbasis silikon yang mampu mengkonversi 25 % energi sinar matahari. Bentuk kurva yang dihasilkan kedua sampel cenderung linear. Hal ini disebabkan adanya hambatan dalam yang cukup besar yang terdapat dalam sel. Nelson (2003) menyebutkan bahwa peningkatan hambatan seri dalam sel dapat mengurangi nilai fill factor23 yang berarti mempengaruhi bentuk dari kurva I-V. Hal ini juga menjelaskan posisi kurva I-V sampel B yang berada di bawah sampel A. Tingginya konsentrasi PPV pada sampel B menghasilkan hambatan yang lebih besar daripada sampel A. Pola karakteristik I-V dari kedua sampel juga didapatkan dari pengujian menggunakan I-V meter KEITHLEY 2400 dengan memberikan
bias mundur dan bias maju. Gambar 19 dan Gambar 20 adalah kurva I-V dari sampel A dan B yang didapatkan dengan KEITHLEY 2400. Bagian kiri kurva (nilai arus negatif) adalah karakteristik I-V saat dibias mundur dan bagian kanan kurva (nilai arus positif) adalah karakteristik I-V saat dibias maju. 0,005
Arus (A)
Vbreakdown -4,00
0,003
Vcutoff
0,001 -0,001
1,00 Gelap A Terang A
-0,003
-0,005 Tegangan (V) Gambar 19. Karakteristik arus-tegangan sampel A dengan KEITHLEY 2400
0,001
Arus (A)
0,0006
Vbreakdown
-0,0002 0,50 -1,50
-3,50
-0,0006 -0,001
Gambar
Vcutoff
0,0002
20.
2,50 GelapB TerangB
Tegangan (v) Karakteristik arus-tegangan sampel B dengan KEITHLEY 2400
Berdasarkan bentuk kurva yang didapat, kedua kurva memiliki karakteristik dioda. Pengujian ini dilakukan dengan kondisi gelap dan terang agar perbedaan karakteristik I-V saat terang dan gelap bisa dianalisis namun perbedaan yang didapat tidak begitu jelas. Hal ini dikarenakan arus yang dihasilkan sangat kecil saat sampel diberi sinar. Pada kurva dioda terdapat nilai Vcutoff dan Vbreakdown. Titik pada kuadran pertama kurva I-V yang menunjukkan kenaikan tegangan secara drastis disebut Vcutoff. Besar nilai Vcutoff adalah besar tegangan yang dibutuhkan agar arus difusi mengalir melewati daerah deplesi di p-n junction saat dibias maju.26 Titik pada kuadran ketiga yang menunjukkan penurunan tegangan secara drastis terhadap titik nol disebut Vbreakdown. Besar nilai Vbreakdown adalah besar tegangan yang dibutuhkan agar arus drift mengalir melewati daerah deplesi di p-n junction saat dibias mundur.26 Vcutoff sampel A terdapat di titik 1,67 V dan Vbreakdown terdapat pada titik -2,88 V. Untuk sampel B Vcutoff terdapat di titik 3,08 V dan Vbreakdown terdapat pada titik -2,68 V. Perbedaan konsentrasi PPV menimbulkan perubahan Vcutoff pada sampel. Meningkatnya Vcutoff menunjukkan bahwa semakin banyak daya yang dibutuhkan untuk mengeksitasikan elektron.16 Uji respon sel terhadap perubahan intensitas cahaya yang diukur dengan sensor tegangan pada Data Studio memberikan grafik yang ditunjukkan pada Gambar 21 dan Gambar 22. Untuk mendapatkan hasil yang optimal, lingkungan sampel dikondisikan agar terisolasi dari paparan sinar selain dari lampu sumber sinar tunggal yang dijadikan patokan perubahan intensitas cahaya. Dalam 30 detik pertama setelah dibuat dalam keadaan gelap, kemudian lampu dinyalakan langsung dengan intensitas maksimum selama satu menit dan dimatikan lagi selama satu menit. Pengulangan nyalamati setiap satu menit ini dilakukan hingga 3 kali untuk kedua sampel. Kestabilan keluaran sampel dapat dilihat dari besarnya tegangan maksimum yang dicapai untuk setiap pengulangan yang dilakukan. Penurunan tegangan saat lampu dimatikan juga diamati untuk mendapatkan konstanta waktu pelepasan muatannya. Konstanta waktu dari sampel dapat ditentukan dengan menganalogikan kurva
perubahan tegangan terhadap waktu sebagai kurva kapasitor. Perhitungan yang dilakukan ditunjukkan pada Lampiran 5. Konstanta waktu sebanding dengan waktu yang dibutuhkan sampel untuk melepaskan muatan dari keadaan terisi penuh dan berbanding terbalik dengan waktu yang dibutuhkan sampel untuk pengisian muatan. Tegangan (V)
0,3 0,2 0,1 0 0
100
200 Waktu (s)
300
400
Tegangan (V)
Gambar 21. Respon tegangan terhadap perubahan intensitas cahaya pada sampel A 0,3 0,2 0,1 0 0
100
200 Waktu (s)
300
400
Gambar 22. Respon tegangan terhadap perubahan intensitas cahaya pada sampel B Tegangan maksimum sebesar 0,225 V dicapai 12 detik untuk sampel A dan tegangan maksimum sebesar 0,253 V dicapai 17 detik untuk sampel B setelah lampu dinyalakan. Penurunan tegangan berlangsung secara eksponensial saat lampu dimatikan, diduga sel memiliki kapasitansi. Dengan menganggap kedua sampel sebagai kapasitor, maka konstanta waktu dapat ditentukan. Tabel 3 menunjukkan konstanta waktu dari kedua sampel. Sampel A memiliki konstanta waktu yang lebih besar daripada sampel B. Ini menunjukkan bahwa sampel A membutuhkan waktu yang lebih lama dari sampel B untuk menurunkan tegangan saat lampu dimatikan.
Tabel 3. Konstanta waktu (τ) sel No
Sel
τ (sekon)
1
Sampel A
26,3
2
Sampel B
10,2
Dari pengulangan yang dilakukan tidak terlihat perubahan nilai tegangan maksimum secara signifikan untuk setiap pengulangan. Ini menunjukkan bahwa sampel memiliki kestabilan tegangan yang baik.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Lapisan TiO2 dapat dibuat dari bubuk TiO2 Degussa P25 dengan metode doctor-blade yang dilanjutkan dengan pemanasan 200 oC. Dari perhitungan dengan metode Cramer, didapatkan nilai parameter kisi a = 3,701 Ǻ dan c = 9,238 Ǻ. Fase dominan yang dimiliki TiO2 berupa anatase dengan ukuran kristal 37,344 nm. Lapisan PPV dapat dideposisikan dengan menggunakan kloroform sebagai pelarut. PPV memiliki rentang penyerapan cahaya dari 330 nm hingga 600 nm dengan puncak absorbsi di sekitar 550 nm. Sampel PPV pada konsentrasi 0.5 % memiliki nilai absorbansi lebih besar daripada konsentrasi 0.25 % sebesar 0.6. Pergeseran puncak absorbansi dari daerah UV ke hijau (526 – 602nm) pada TiO2 didapatkan setelah PPV dideposisikan pada TiO2. Elektrolit polimer berhasil dibuat dari PVA, kitosan, dan iodolyte. Elektrolit polimer ini berbentuk gel sehingga dapat menyesuaikan bentuknya dengan tekstur permukaan TiO2 dan tidak terserap ke dalam TiO2. Kedua kurva I-V dari sampel sel surya yang dibuat menunjukkan karakteristik dioda ketika diberi bias maju dengan mengunakan KEITHLEY 2400. Namun pergeseran kurva I-V ketika dalam keadaan gelap dan terang tidak terlihat jelas. Uji respon tegangan terhadap perubahan intensitas cahaya dilakukan dengan perangkat lunak Data Studio. Peningkatan tegangan dari 0 V ke 0,225 V pada sampel A dan 0,253 V pada sampel B diamati ketika lampu dinyalakan. Penurunan tegangan juga diamati pada kedua sampel ketika lampu dimatikan sehingga nilai tegangan turun menjadii ke 0 V. Sampel dengan dye MEH-PPV pada konsentrasi 0,25 % (Sampel A) mengkonversi energi lebih baik daripada konsentrasi 0,5 % (Sampel B). Hal ini tidak sesuai dengan hipotesis. PPV dengan konsentrasi 0,5 % memberikan hambatan dalam yang lebih besar pada sel surya sehingga menghambat arus keluarannya. Daya yang dihasilkan sel TiO2/PPV/iodolyte mencapai 4,623×10-6 W pada sampel A dan 1,878×10-6 W pada sampel B dengan efisiensi 0,0514 % dan 0,0209 % pada masing-masing
sampel. Efisiensi tersebut sangat rendah jika dibandingkan dengan sel surya konvensional berbasis silikon yang memiliki efisiensi di atas 20 %.
Technol. 44 : 484-488. Weinheim, Wiley-WCH. 5.
Boni et al. (2004). Nonlinear absorption spectrum in MEH-PPV/chloroform solution: A competition between twophoton and saturated absorption process. J. PHYS. CHEM. 108, 5221-5224.
6.
Khattab A.F., Ahmad, S.M. (2009). Studies of Electrical Conductivity of Poly Phenylene Vinylene. AJSE. New York, Springer.
7.
Archer M.D., Nozik, A.J. (2008). Nanostructured and PhotoelectroChemical Systems for Solar Photon Convertion. London, Imperial College Press.
8.
Soga T, editor. (2006). Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion . Ed ke-1. New York: Elsevier.
9.
Rio S.R., Masamori I. (1999). Fisika dan Teknologi Semikonduktor. Jakarta: PT Pradya Paramita.
Saran Dari segi pengambilan data, penelitian ini masih berada dalam tahap observasi terhadap dua sampel yang berbeda konsentrasi PPV. Agar data yang didapat lebih baik pada penelitian lanjutan, sampel yang diamati untuk masing-masing variasi konsentrasi perlu ditambahkan setidaknya hingga tiga sampel. Berdasarkan data yang diproses, sampel dengan konsentrasi PPV 0,25 % di dalam kloroform memiliki efisiensi yang lebih baik daripada konsentrasi 0,5 %, namun konsentrasi tersebut belum tentu yang terbaik untuk mendapatkan efisiensi terbesarnya. Maka, perlu dilakukan pengamatan nilai efisiensi terhadap nilai-nilai konsentrasi PPV dari 0,1 % hingga 0,3 %. Selain itu dari-nilainilai konsentrasi tersebut diharapkan tidak memberikan hambatan dalam yang besar bagi sel surya. Iodolyte untuk elektrolit polimer perlu ditambah untuk meningkatkan konduktivitasnya dengan tidak mengabaikan ketahanan elektrolit polimer terhadap lingkungan. Untuk deposisi TiO2, hambatan dapat dikurangi dengan menggunakan metode yang dapat menghasilkan film yang lebih tipis seperti menggunakan titanium isopropoksida dengan metode prekursor. Oleh sebab itu, konduktivitas dari setiap lapisan yang terdapat pada sel surya perlu diukur untuk mengetahui hambatan dalamnya.
DAFTAR PUSTAKA 1.
Herzog A.V., Lipman T.E., Kammen, D.M. (2002). Renewable Energy Sources. United Kingdom, EOLSS.
2.
Smil V. (2006). Energy: A Beginner’s Guide. Great Britain, Biddles.
3.
Neville R.C. (1995). Solar Energy Conversion. 2nd Ed. New York, Elsevier.
4.
Christy P.D. (2009). Synthesis, structural and optical properties of well dispersed anatase TiO2 nanoparticles by nonhydrothermal method. Cryst. Res.
10. Lesmana T.J. ( 2010). Pembuatan dan karakterisasi sel surya hibrid ITO/CdS/klorofil/PANI/ITO [Thesis]. Bogor. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. 11. Wei D, Amaratunga G. (2007). Photoelectrochemical cell and it’s application in optoelectronics. International Journals of Electrochemical Science. 2 :897-912. ESG 12. Garcia et al. (2007). Anatase-TiO2 nanomaterials: anaysis of key parameters controlling crystalization. JACS. 129: 13604-13612. 13. Diebold U. (2003). The surface science of titanium dioxide. Surface Science Report 48: 53-229 14. Palupi E. (2006). Degradasi methylene blue dengan metode fotokatalisis dan fotoelektrokatalisis menggunakan film TiO2 [Skripsi]. Bogor, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. 15. Thamaphat K., Limsuwan P., Ngotawornchai B. (2008). Phase Characterization of TiO2 Powder by XRD and TEM. KAETSART J. Bangkok, Kaetsart University.
15
16. Maharani L.A. (2008). Studi karakteristik O-LED MEH-PPV yang dibuat dengan teknik spin coating [Skripsi]. Bogor, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. 17. Cumpston B.H., Jensen K.F. (1998). Photooxidative stability of substitued poly (phenylene vinylene) (PPV) and poly (phenylene acetylene) (PPA). Journal of Applied Polymer Science. 69 : 2451-2458. West Sussex, John Wiley & Sons. 18. Gettinger C.L., Heeger A.J. Drake JM. Pine, DJ. (1994). A photoluminescense study of poly(phenylene vinylene) derivatives: The effect of intrinsic persistence length. J. Chem. Phys. 101: 1673-1678. 19. Juhari N., Majid W., Ibrahim Z.A. (2007). Structural and optical studies of MEH-PPV using two different solvents prepared by spin coating technique. Solid State Science and Technology.15 : 141146. New York, Springer. 20. Cullity B.D. (2001). Elements of X-Ray Diffraction. Massachusetts, Addison Wesley Publishing Company. 21. Lestari V. (2009). Struktur dan karakterisasi optik lapisan semikonduktor Cu2O (cuprous oxide) hasil deposisi elektrokimia [Skripsi]. Bogor. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. 22. Waseda Y., Matsubara E., Shinoda K. (2011). X-ray Diffraction Crystalography. New York, Springer. 23. Nelson J. (2003). Physics of Solar Cell. London, Imperial College. 24. Petrella A. et al.(2004). TiO2 nanocrystals – MEH-PPV Composite Thin Films as Photoactive Materials. Thin Solid Films. (2004) 64-68. New York, Elsevier. 25. Song M.K. et al.(2003). Thermally stable gel polymer electrolyte polymer. Journal of Electrochemical Society. 150 (4) A439-A444.
26. Kitai A.(2011). Principle of Solar Cell, LED and Diodes,The Role of
PN Junction.West Sussex, John Wiley & Sons.
LAMPIRAN
17
Lampiran 1. Diagram Alur Kerja Penelitian Mulai
Persiapan alat dan bahan
Deposisi film TiO2
XRD
Identifikasi TiO2
Deposisi film MEH-PPV
Karakterisasi Optik
Deposisi Elektrolit Polimer
Karakterisasi Sel Surya (I-V)
Penulisan Skripsi Selesai
18
Lampiran 2. Data JCPDS Kristal TiO2 Fase Anatase dan Rutile Anatase:
Rutile:
19
Lampiran 3. Deteksi Puncak TiO2 2θ 25.072 36.751 37.586 38.308 47.798 54.829 62.064 68.688 70.1 74.859
α
H
k
l
θ
radian θ
radian 2θ
1 1 0 1 2 2 2 1 2 1
0 0 0 1 0 1 1 1 2 0
1 3 4 2 0 1 3 6 0 7
12.536 18.3755 18.793 19.154 23.899 27.4145 31.032 34.344 35.05 37.4295
0.21879448 0.32071298 0.32799973 0.33430036 0.41711624 0.47847329 0.54161057 0.59941588 0.6117379 0.65326801
0.43758895 0.641425953 0.655999453 0.66860073 0.834232476 0.956946576 1.083221147 1.198831757 1.223475806 1.306536025
γ
α2 1 1 0 2 4 5 5 2 8 1
Σ
1 1 0 4 16 25 25 4 64 1 141
γ2 1 9 16 4 0 1 9 36 0 49
αγ
1 81 256 16 0 1 81 1296 0 2401 4133
1 9 0 8 0 5 45 72 0 49 189
sin^2θ
sin^θ
δ
δ^2
Γδ
αδ
αsin^θ
γsin^θ
δsin^θ
0.17957 0.358009 0.372041 0.384262 0.548757 0.668203 0.780522 0.867907 0.884142 0.931777 Σ
0.047112 0.099378 0.103781 0.107655 0.164127 0.211991 0.265757 0.318277 0.32981 0.369402
1.795698 3.580091 3.720409 3.842619 5.487567 6.682025 7.805218 8.679067 8.841418 9.31777
3.224533 12.81705 13.84144 14.76572 30.11339 44.64946 60.92143 75.32621 78.17067 86.82084 420.6507
1.795698 32.22082 59.52654 15.37048 0 6.682025 70.24696 312.4464 0 456.5707 954.8597
1.7956985 3.5800906 0 7.6852376 21.950268 33.410126 39.02609 17.358135 70.731341 9.3177701 204.85476
0.047112 0.099378 0 0.21531 0.656507 1.059953 1.328787 0.636554 2.638482 0.369402 7.051486
0.047112 0.894405 1.66049 0.43062 0 0.211991 2.391817 11.45797 0 18.10071 35.19512
0.084599 0.355783 0.386106 0.413677 0.900657 1.416527 2.074295 2.762346 2.91599 3.442006 14.75199
20
Lampiran 4. Penentuan Parameter Kisi dan Ukuran Kristal dengan Metode Kramer
Untuk menentukan parameter kisi kristal tetragonal digunakan persamaan : Σα sin2θ = CΣα2 + BΣαγ + AΣαδ Σγ sin2θ = CΣαγ + BΣγ2 + AΣγδ Σδ sin2θ = CΣαδ + BΣγδ + AΣδ2 Keterangan :
h,k,l adalah indeks Miller
A = d/10
α = h2+k2
B = λ2/(4c2)
δ = 10 sin22θ
C= λ2/(4a2)
Perhitungan Matriks menggunakan MatLab >> M1=[7.05148, 189, 204.8548; 35.19512, 4133, 954.8597; 14.75199, 954.8597, 420.6507] M1 = 1.0e+003 * 0.0071 0.1890 0.2049 0.0352 4.1330 0.9549 0.0148 0.9549 0.4207 >> det(M1) ans = 8.8702e+004 >> M2=[141, 7.05148, 204.8548; 189, 35.19512, 954.8597; 204.8584, 14.75199, 420.6507] M2 = 141.0000 7.0515 204.8548 189.0000 35.1951 954.8597 204.8584 14.7520 420.6507 >> det(M2) ans = 1.4235e+004
21
Lanjutan Lampiran 4. Penentuan Parameter Kisi dan Ukuran Kristal dengan Metode Kramer >> M3=[141, 189, 204.8548; 189, 4133, 954.8597; 204.8584, 954.8597, 420.6507] M3 = 1.0e+003 * 0.1410 0.1890 0.2049 0.1890 4.1330 0.9549 0.2049 0.9549 0.4207 >> det(M3) ans = 2.0456e+006 >> C=det(M1)/det(M3) C= 0.0434 >> B=det(M2)/det(M3) B= 0.0070 >> sym(B,'d') ans = 0.0069589620152545536568844397606881 >> sym(C,'d') ans = 0.043363445948205715796408554751906
parameter kisi a = 3.701085 Ǻ parameter kisi c = 9.238342 Ǻ
22
Lampiran 5. Perhitungan Konstanta Waktu (τ)
Konstanta waktu (τ) V Vo e
t
(13)
dengan memisalkan V Vo e 1 V
(14)
Vo e
dengan V adalah tegangan di setiap waktu t, Vo adalah tegangan maksimum dan e adalah 2.718, maka dengan mensubstitusi persamaan (13) ke persamaan (14) didapat :
Vo t Vo e e e 1 e 1 t
t
t
t = τ terjadi saat
Vo , sehingga e
Vo
τ = t2 – t1
V = Vo/e
t1
t2
Gambar Recovery respon piranti
t
23
Lanjutan Lampiran 5. Perhitungan Konstanta Waktu (τ) Konstanta waktu sampel A 0.082781 V No 1 2 3 4 5 6 rataan
t (detik) 354.2 354.6 355.2 355.6 359.6 363.6 357.13333
Vo/e (volt) 0.083 0.083 0.082 0.082 0.082 0.083
26.33 s Konstanta waktu pada sampel B No
t (detik) 1
Vo/e (volt)
340.2
0.093
Sampel A t (sekon) 330 330.2 330.4 330.6 330.8 340 340.2 340.4 354.2 354.4 354.6 354.8 355 355.2 355.4 355.6 355.8 359.4 359.6
Vo/e (volt) 0.203 0.153 0.129 0.175 0.225 0.153 0.159 0.097 0.083 0.085 0.083 0.08 0.081 0.082 0.081 0.082 0.077 0.053 0.082
10.2 s
No 1 2 3 4 5 51 52 53 122 123 124 125 126 127 128 129 130 148 149
No 1 2 3 4 5 51 52 53
Sampel B t (sekon) 330 330.2 330.4 330.6 330.8 340 340.2 340.4
Vo/e (volt) 0.253 0.239 0.19 0.154 0.225 0.107 0.093 0.092
24
Lampiran 6. Alat-alat yang Digunakan dalam Penelitian
Hot Plate
Furnace
Shimadzu XRD-7000 MAXIMA
Neraca analitik
Photometer PMA2200
Interface Scientific Workshop 750 (PASCO)
